[論文レビュー] Reach in All Hadronic Stop Decays: A Snowmass White Paper

Daniel Stolarski|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmass白書は、将来のハドロン衝突機におけるヒッグス粒子のバリオン的崩壊の発見可能性を、完全にバリオン的最終状態を用いて評価している。トップタギングと横断的運動量欠損のカットを用いてバックグラウンドを抑制する。33 TeV衝突機では5σ発見可能性が3.0 TeV、100 TeV衝突機では5.7 TeVに達すると推定されており、高エネルギー衝突機が困難なバックグラウンドにもかかわらず、重いストップを探索可能であることを示している。

ABSTRACT

We study the discovery prospects for stops which decay to a top and a light neutralino. We consider fully hadronic decays of the tops and present an estimate for the reach at various future collider runs. Our results are summarized in Table 1.

研究の動機と目的

• 将来の高エネルギーハドロン衝突機における完全にバリオン的最終状態のストップ発見可能性を評価すること。
• バリオン的崩壊において、支配的であるQCDおよび$t\bar{t}Z$バックグラウンドと区別する課題に対処すること。
• トップタギングと横断的運動量欠損カットが、最小限のレプトン由来バックグラウンドで信号を分離する有効性を評価すること。
• HL-LHC、HE-LHC、VLHCを含む、さまざまな衝突機シナリオにおけるストップ質量および対生成断面積の保守的推定を提供すること。

提案手法

• MadGraph 5を用いたパートンレベルのシミュレーションにより、ストップ対生成の信号効率と断面積を計算する。
• 厳密なカットを適用：両トップがバリオン的に崩壊（46%効率）、1つのbタグ（70%）、両トップがトップタグ（25%）、両トップの$p_T > 500$ GeV（19%効率）。
• バックグラウンドを抑制するために、横断的運動量欠損カット（14 TeVで600 GeV以上、33 TeVで2.0 TeV以上、100 TeVで4.0 TeV以上）を課す。
• $t\bar{t}$、半レプトン的トップ、および$Z$が非可視崩壊を示す$t\bar{t}Z$のバックグラウンド断面積を、同じカットを適用して推定する。
• 有意性の簡略化された式を用いる：$\sigma_s = \frac{N_\sigma}{\varepsilon_s} \sqrt{\frac{\varepsilon_b \sigma_b}{L}}$、ここで$\varepsilon_s$は信号効率、$\varepsilon_b \sigma_b$は有効バックグラウンド断面積、$L$は光度である。
• 木レベルのMadGraph 5断面積を用いて、推定断面積をストップ質量への到達範囲に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のハドロン衝突機（HE-LHCやVLHCを含む）における完全にバリオン的崩壊のストップの実現可能な発見可能性はどの程度か？
• RQ2 完全にバリオン的最終状態において、トップタギングと横断的運動量欠損カットが支配的であるQCDおよび$t\bar{t}Z$バックグラウンドをどれほど効果的に抑制できるか？
• RQ3 高エネルギー下でのトップクォークおよび安定中性ノイドへのストップ崩壊の信号効率は何か？また、衝突機エネルギーと光度にどのように依存するか？
• RQ4 高光度LHC条件下でのプーリング効果が、このチャンネルにおけるトップタギングおよび運動量欠損再構築の性能に与える影響は？
• RQ5 $t\bar{t}Z$が非可視$Z$崩壊を示す巨大なバックグラウンドにもかかわらず、高エネルギー衝突機で十分な純度で信号を分離し、5σ発見を達成できるか？

主な発見

• 1 TeVのストップに対して、バリオン的崩壊の信号効率は、トップタギング、bタグ、および運動量カットを組み合わせて0.52%と推定された。
• HL-LHC（14 TeV、3 ab⁻¹）では、5σ発見可能性が1.2 TeVのストップ質量に達すると推定され、対生成断面積は1.1 fbに相当する。
• 33 TeV衝突機（3 ab⁻¹）では、5σ発見可能性が3.0 TeVのストップ質量まで拡張され、断面積到達範囲は91 abに達する。
• 100 TeV衝突機（1 ab⁻¹）では、5σ発見可能性が5.7 TeVのストップ質量に達し、断面積到達範囲は200 abに相当する。
• $t\bar{t}Z$バックグラウンド（非可視$Z$崩壊を伴う）は高エネルギー域で支配的だが、厳しい運動量欠損カットのおかげで依然として準主観的である。
• 本研究では、衝突機エネルギーの増加がバックグラウンド抑制を顕著に改善し、33 TeVおよび100 TeV衝突機で重いストップの発見が可能であると判明した。